Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Нанокомпозиты. Часть 7

Инверсионная газовая хроматография (IGC) часто используется для определения характеристик поверхности порошковых наполнителей, а также силикатов. Компонент дисперсии органофильных силикатов был определен при температуре 100 °C. Из-за его большого значения поверхностное натяжение ММТ без покрытия может быть определено только путем экстраполяции из измерений, выполненных при более высоких температурах. Мы получаем очень высокое значение, 260 мДж / м2, для дисперсионного компонента NaMMT, которое больше, чем общая поверхностная энергия 205 мДж / м2. Тем не менее, можно сделать вывод, что поверхностная энергия чистых слоистых силикатов велика, что объясняет сильную поверхностную активность глины и необходимость органофилизации перед приготовлением композита. Более ранние исследования, проведенные на других наполнителях, показали, что покрытие неорганических наполнителей органическим соединением, обычно поверхностно-активным веществом, приводит к уменьшению поверхностного натяжения, а свободная энергия поверхности наполнителя с покрытием зависит от покрытия поверхности. Исследования показали, что, хотя характер корреляции и одинаков в обоих случаях, поверхностное натяжение чистого NaMMT намного больше, чем у CaCO3.

Интересно отметить, что свободная энергия поверхности наполнителей с покрытием очень похожа друг на друга, независимо от типа наполнителя (NaMMT, CaCO3) или химического состава поверхностно-активного вещества, используемого для обработки. Представленные результаты имеют серьезные последствия для композитных свойств. Хотя IGC, вероятно, измеряет только внешнюю поверхность частиц, характеристики поверхности должны быть одинаковыми даже после расслоения, в результате чего взаимодействие между силикатом и полимером уменьшается пропорционально поверхностному натяжению. Как следствие, мы не можем ожидать значительного улучшения механических свойств, то есть увеличения прочности, что хорошо согласуется с текущим опытом и опубликованными результатами. С другой стороны, эти наблюдения противоречат тому факту, что часто наблюдается значительное улучшение свойств, когда органически модифицированные силикаты используются для приготовления нанокомпозитов. Однако такое улучшение может быть результатом ряда изменяющихся факторов, включая структуру, взаимодействия и механизмы деформации.

Модель рассматривает единственную галерею органофильного силиката, в которой молекулы поверхностно-активного вещества привязаны к поверхности, а молекулы полимера диффундируют в галерею между этими связанными цепями. Энтропия и внутренняя энергия изменяются с увеличением расстояния между галереями во время интеркаляции. Новые взаимодействия между полимером, связанными цепями и силикатом определяют изменения внутренней энергии системы. Алифатические цепи поверхностно-активного вещества могут образовывать только слабые взаимодействия по модели Ван-дер-Ваальса со всеми компонентами, и поэтому они рассматриваются как «неблагоприятные» дисперсионные взаимодействия. Интеркаляция и конечная структура нанокомпозита обычно определяются «благоприятными» взаимодействиями полимер / силикат. Модель сравнивалась с экспериментальными данными, полученными в экспериментах по статической интеркаляции расплава с различными органофильными силикатами и чистым, а также функционализированным полистиролом. Хорошее качественное согласие было найдено между экспериментальными результатами и предположениями в различных органофильных системах силикат / полистирол.

Также были предложены различные термодинамические модели для прогнозирования интеркаляции полимеров в органофильные силикаты, но их выводы не согласуются между собой. Все подходы, обсуждаемые выше, используют терминологию полимерных смесей, что мы находим запутывающим и вводящим в заблуждение. Термин совместимость недостаточно определен, и его очень трудно понять. Несмешиваемые полимерные / силикатные композиты представляют собой простые полимеры, наполненные частицами, а смешивающиеся — это расслоенные нанокомпозиты. Однако они значительно отличаются от смешивающихся, поскольку в последних единицы, занимающие узлы решетки, примерно на 3-5 порядков меньше, чем силикатные пластинки, которые имеют размеры 500-1000 нм или более, даже если они имеют толщину всего 1 нм в идеальном случае. Соответственно, свойства нанокомпозитов определяются теми же факторами, что и у традиционных микрокомпозитов. Тем не менее, эти подходы полезны, поскольку они указывают на наиболее важные факторы, влияющие на интеркаляцию и расслоение, и показывают, что взаимодействия определяют структуру и свойства слоистых силикатных нанокомпозитов.